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2018 年度 実績報告書

磁界分界面がプラズマ中電子に及ぼすエネルギー選択的シャッタ・フィルタ効果の解析

研究課題

研究課題/領域番号 16K05626
研究機関北海道大学

研究代表者

菅原 広剛  北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (90241356)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード磁化プラズマ / 対向発散磁界 / 閉じ込め効果 / フィルタ効果 / 電子運動 / 分界面 / モンテカルロ法 / シミュレーション
研究実績の概要

誘導結合型低気圧プラズマに加えた対向発散磁界の分界面が電子を遮り閉じ込める又は通過電子をエネルギーで選別するシャッタ/フィルタ効果の機構解明と材料表面処理用プラズマの省空間化や材料損傷低減他への応用法開拓のため,関連する諸種の評価法を考案し,電子とイオンの挙動をモンテカルロ法により計算機解析した。電子へのエネルギー供給と基板へのイオン入射の条件依存性観察から装置設計と制御に資する知見を得た。
電子脱出時定数により閉じ込め効果を定量評価した。弱磁界や狭い閉じ込め領域からは電子は短時間で脱出した。閉じ込めで電離頻度は増し閉じ込めのプラズマ維持への寄与が見られた。分界面中央弱磁界域は閉じ込めからの電子脱出路となる傾向があった。その周囲の共鳴磁界域を通過する電子には部分共鳴によるエネルギー増が見られた。
プラズマ維持に必要な電力供給(電子エネルギー利得)の様子を円筒形プラズマ容器内全域で位置と交流電界位相別に観察し電子流指向性の発現と見られる波形の非対称性を見出した。回帰式から得た周期変動特性を表す係数を交流電界下電子の仕事率の式と比較して利得要因を電界振幅,環状電流指向性,力率に分離し,既知の高利得三領域(アンテナ直下高電界域,零磁界点周辺共鳴磁界域,容器側壁近傍)の利得要因の差異を究明した。このうち容器側壁近傍ではシース電界が電子を側壁から押し戻すよう働きそれが無シース解析で想定した器壁電子反射と同様に電子流指向性を生み利得に寄与することを見出した。
励起源アンテナを容器側面に置くと底部基板へのイオン入射を増やせた。容器底部バイアス印加を広域化するとイオン基板入射を均一化できた。
電子速度分布とドリフト速度,拡散係数他の電子輸送係数を算出するプロパゲータ法を直交電磁界下実空間用に発展させ,電磁界下では電子が方向毎に異なる流れ方をすることを示す方向別電子輸送係数の安定な算出法を構築した。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] A Computational Scheme of Propagator Method for Moment Equations to Derive Real-Space Electron Transport Coefficients in Gas Under Crossed Electric and Magnetic Fields2019

    • 著者名/発表者名
      Sugawara Hirotake
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Plasma Science

      巻: 47 ページ: 1071~1082

    • DOI

      10.1109/TPS.2018.2866187

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 誘導結合プラズマに印加した対向発散磁界の電子閉じ込め効果の定量化とその制御条件依存性2019

    • 著者名/発表者名
      小澤良輔、菅原広剛
    • 雑誌名

      電気学会論文誌A

      巻: 139 ページ: 未定(5号掲載予定)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stochastic electron energy gain in inductively coupled magnetized plasmas accompanying electron reflection at chamber wall2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Hironori、Nakashima Katsuhiro、Yamamoto Tappei、Sugawara Hirotake
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 ページ: 126101~126101

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.126101

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 対向発散磁界下誘導結合プラズマ中の電子閉じ込め効果に対するシースの影響の定性的検討2019

    • 著者名/発表者名
      小澤良輔、菅原広剛
    • 学会等名
      平成31年電気学会全国大会
  • [学会発表] 誘導結合型磁化プラズマ容器器壁近傍における電子エネルギー利得の位相分解モンテカルロ解析2019

    • 著者名/発表者名
      高橋宏徳、菅原広剛
    • 学会等名
      平成31年電気学会全国大会
  • [学会発表] 交流電界・直流磁界下気体中の電子輸送係数解析2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤壮、菅原広剛
    • 学会等名
      平成31年電気学会全国大会
  • [学会発表] Computational Study on Characteristic Mechanisms of Energy Deposition to Electrons in a Low-Pressure Inductively Coupled Magnetized Plasma2018

    • 著者名/発表者名
      Hirotake Sugawara, Katsuhiro Nakashima, Hironori Takahashi
    • 学会等名
      20th Gaseous Electronics Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Monte Carlo analysis of the asymmetry in azimuthal electron flow in an inductively coupled plasma driven under confronting divergent magnetic fields2018

    • 著者名/発表者名
      Hirotake Sugawara, Katsuhiro Nakashima, Hironori Takahashi
    • 学会等名
      XXIV Europhysics Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases
    • 国際学会
  • [学会発表] Configuration of propagator method for calculation of electron velocity distribution function in gas under crossed electric and magnetic fields2018

    • 著者名/発表者名
      Hirotake Sugawara
    • 学会等名
      The 19th Asian Conference on Electrical Discharge
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 対向発散磁界下誘導結合型RFプラズマ中の電子エネルギー利得と電子周方向速度のモンテカルロ解析2018

    • 著者名/発表者名
      中島克博、菅原広剛
    • 学会等名
      平成30年電気学会プラズマ・パルスパワー研究会
  • [学会発表] 誘導結合型磁化プラズマ容器器壁近傍における電子エネルギー利得機構-器壁における電子反射およびシース電界を考慮したモンテカルロ解析-2018

    • 著者名/発表者名
      高橋宏徳、菅原広剛
    • 学会等名
      平成30年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • [学会発表] 対向発散磁界下誘導結合型磁化プラズマ中電子閉じ込め効果の定量化-磁界強度・分界面位置依存性-2018

    • 著者名/発表者名
      小澤良輔、菅原広剛
    • 学会等名
      平成30年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • [学会発表] 対向発散磁界下誘導結合型磁化プラズマ中の特徴的なエネルギー利得の領域と要因2018

    • 著者名/発表者名
      中島克博、菅原広剛
    • 学会等名
      平成30年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [学会発表] 誘導結合型磁化プラズマ容器側壁近傍シース電界下電子エネルギー利得機構-利得分布のシース形状依存性に関するモンテカルロ解析-2018

    • 著者名/発表者名
      高橋宏徳、菅原広剛
    • 学会等名
      平成30年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [学会発表] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマ中電子閉じ込め効果-電離増倍への影響-2018

    • 著者名/発表者名
      小澤良輔、菅原広剛
    • 学会等名
      平成30年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会

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公開日: 2019-12-27  

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